JP2010276531A - Apparatus and method for estimating incoming direction - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、無線通信を用いて無線信号の送信元が存在する方向を推定する到来方向推定装置及び到来方向推定方法に関する。 The present invention relates to an arrival direction estimation apparatus and an arrival direction estimation method for estimating a direction in which a wireless signal transmission source exists using wireless communication.
物体の位置を測定する方法として、GPS(Global Positioning System)を利用する方法及びレーダ(特に、ミリ波帯を用いたレーダ)を利用する方法が知られている。 As a method for measuring the position of an object, a method using a GPS (Global Positioning System) and a method using a radar (particularly, a radar using a millimeter wave band) are known.
また、二つの受信ユニットを用いて、各受信ユニットに到達する無線信号の受信時刻を取得し、取得した受信時刻の差から無線信号の到来方向を推定する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Further, a technique has been proposed in which the reception time of a radio signal reaching each reception unit is acquired using two reception units, and the arrival direction of the radio signal is estimated from the difference between the acquired reception times (for example, a patent) Reference 1).
また、複数の基地局を用いて、各端末(ノード)から送信される無線信号の受信時刻を取得し、取得した受信時刻の差と光速とを乗算し、ノードからの各基地局までの信号の伝搬距離を計算することによって、ノードの位置を測定するシステムが提案されている(例えば、非特許文献1、2参照)。
Moreover, the reception time of the radio signal transmitted from each terminal (node) is acquired using a plurality of base stations, the difference between the acquired reception times and the speed of light is multiplied, and the signal from the node to each base station A system for measuring the position of a node by calculating the propagation distance of (see
無線信号の到来方向(AOA:Angle of Arrival)を推定する場合、背景技術において述べたように無線信号の到達時刻の差を測定する。 When estimating the arrival direction (AOA) of a radio signal, the difference in arrival time of the radio signal is measured as described in the background art.
図18は、従来の複数アンテナを用いた到来方向推定(AOA)の説明図である。 FIG. 18 is an explanatory diagram of direction of arrival estimation (AOA) using a plurality of conventional antennas.
アンテナ101とアンテナ102との間の距離がLであり、無線信号の到来方向がθである場合、二つのアンテナ101、アンテナ102に到来する無線信号の経路差dは、下記の式で与えられる。
When the distance between the
d=L×sinθ
前述した特許文献1に記載された技術によると、受信ユニットは、パルス信号の包絡線(エネルギー)を検出し、検出された包絡線に基づいて、パルス信号の受信時刻を計測する。そして、計測された受信時刻の差を求めることによって、パルス信号の到来方向を計算する。このため、原理的に、計測することができる受信時刻の精度は、パルス信号のパルス幅に依存する。
d = L × sin θ
According to the technique described in
例えば、高精度に到来時刻を推定する場合には、ウルトラワイドバンドインパルスラジオ(UWB−IR)方式が利用されるが、UWB−IRのパルス信号のパルス幅は1〜2ナノ秒であるので、受信時刻の誤差によって、経路差dは、少なくとも30センチメートル以上の誤差を含む。この場合、高い精度で到来方向を推定するためには、アンテナ間の距離Lを、一般的には数メートル以上と、大きくしなければならない。したがって、UWB−IRによって高精度な到来方向推定システムを実現しようとすると、ハードウェアの構成が複雑かつ大規模になる問題がある。 For example, when estimating the arrival time with high accuracy, an ultra-wide band impulse radio (UWB-IR) method is used, but the pulse width of the UWB-IR pulse signal is 1 to 2 nanoseconds. Due to an error in reception time, the path difference d includes an error of at least 30 centimeters or more. In this case, in order to estimate the direction of arrival with high accuracy, the distance L between the antennas must generally be increased to several meters or more. Therefore, there is a problem that the hardware configuration becomes complicated and large-scale when an accurate direction-of-arrival estimation system is realized by UWB-IR.
ところで、受信時刻の差を高精度に推定する方法として、受信した複数のパルス信号に用いられている搬送波の位相情報を比較する方法がある。 By the way, as a method for estimating the difference in reception time with high accuracy, there is a method for comparing phase information of carrier waves used in a plurality of received pulse signals.
図19は、従来のパルス信号の搬送波の位相差の説明図である。 FIG. 19 is an explanatory diagram of a phase difference of a carrier wave of a conventional pulse signal.
パルス信号がアンテナ101、アンテナ102で受信される場合、アンテナ101とアンテナ102とは距離Lだけ離れているので、受信した各パルス信号の経路差dによって、アンテナ101が受信したパルス信号s1の搬送波とアンテナ102が受信したパルス信号s2の搬送波との間に位相差αが生じる。
When the pulse signals are received by the
各パルス信号の搬送波の位相情報を比較する場合、パルス信号の搬送波の周波数(例えば、4GHz)は、パルスの繰返し周波数(例えば、32MHz)よりもずっと大きいので、ナノ秒の数分の1のオーダーで受信時刻の差を取得することができる。このため、アンテナ101とアンテナ102との間の距離Lがパルス信号の1/2波長以下の場合であっても、高い精度で到来方向を推定することができる。つまり、各アンテナの間の距離が小さくてもよいので、受信機を小型化することができる。
When comparing the phase information of the carrier of each pulse signal, the frequency of the carrier of the pulse signal (eg, 4 GHz) is much greater than the pulse repetition frequency (eg, 32 MHz), so it is on the order of a fraction of nanoseconds. The difference in the reception time can be acquired. For this reason, even when the distance L between the
図20は、従来のマルチパス環境における受信波形の例を示す説明図である。 FIG. 20 is an explanatory diagram showing an example of a received waveform in a conventional multipath environment.
図20の縦軸は受信信号の強度(振幅値)であり、横軸は時間である。屋内等のマルチパス環境において、ピーク波は直接波(第1到来波)の後に現れることがある。 The vertical axis in FIG. 20 is the intensity (amplitude value) of the received signal, and the horizontal axis is time. In a multipath environment such as indoors, a peak wave may appear after a direct wave (first incoming wave).
また、一般的に、受信機は、信号対雑音電力比が高いピーク波に基づいて受信した信号とサンプリングタイミングとを同期するように設計されている。 In general, a receiver is designed to synchronize a received signal and a sampling timing based on a peak wave having a high signal-to-noise power ratio.
ところで、マルチパス環境において、直接波でないピーク波に基づいて同期された搬送波の位相情報では、高い精度でパルス信号の到来方向を推定することができないので、受信機は、直接波の位相情報を取得する必要がある。したがって、受信機は、ピーク波ではなく、直接波に基づいて、受信信号を同期させなければならないが、特に、UWB−IR方式のような高時間分解能なパルス信号を用いるシステムでは、簡易なハードウェアの構成によって、直接波の位相情報を取得する処理を実現するのは非常に困難であった。 By the way, in the multipath environment, the phase information of the carrier wave synchronized based on the peak wave that is not the direct wave cannot estimate the arrival direction of the pulse signal with high accuracy. Need to get. Therefore, the receiver must synchronize the received signal based on the direct wave, not the peak wave. In particular, in a system using a pulse signal with high time resolution such as the UWB-IR method, a simple hardware is required. It is very difficult to realize the process of acquiring the phase information of the direct wave depending on the configuration of the wear.
本発明は、前述した問題に鑑みてなされたものであり、簡易な構成のハードウェアによって、マルチパス環境においても、直接波の位相情報を取得し、到来方向を高精度に推定することができる到来方向推定装置及び方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and can acquire phase information of a direct wave and estimate an arrival direction with high accuracy even in a multipath environment by hardware with a simple configuration. An object of the present invention is to provide an arrival direction estimation apparatus and method.
本発明の代表的な一例を示せば以下のとおりである。すなわち、無線機によって送信された無線信号の到来方向を推定する到来方向推定装置であって、前記到来方向推定装置は、複数のアンテナと、第1サンプリング部と、第1相関部と、到来方向推定部と、第1到来波検出部と、タイミング制御部と、を備え、前記各アンテナは、マルチパス環境において第1の前記無線信号の第1到来波及びその他の到来波を受信し、前記第1到来波検出部は、前記第1相関部によって出力された、前記第1の無線信号の相関データに基づいて、前記第1到来波を検出し、前記タイミング制御部は、前記検出された第1到来波に基づいて、第1サンプリングタイミングを決定し、前記第1サンプリング部は、前記第1到来波から生成されたパケットのプリアンブル期間中に、所定のサンプリング周波数に基づいて、前記第1の無線信号を直交復調することによって取得されるI、Q信号と、前記決定された第1サンプリングタイミングと、の同期を確立し、前記第1相関部は、前記第1サンプリングタイミングによってサンプリングされたI、Q信号と前記無線機が使用する拡散符号との符号相関を計算することによって、前記第1の無線信号の相関データを取得し、前記到来方向推定部は、前記第1相関部によって出力された、前記第1の無線信号の相関データに基づいて、前記各アンテナが受信した第1の無線信号の間の位相差を検出し、前記検出された位相差に基づいて、前記第1の無線信号の到来方向を計算することを特徴とする。 A typical example of the present invention is as follows. That is, an arrival direction estimation apparatus that estimates an arrival direction of a radio signal transmitted by a radio device, wherein the arrival direction estimation apparatus includes a plurality of antennas, a first sampling unit, a first correlation unit, and an arrival direction. An estimation unit, a first arrival wave detection unit, and a timing control unit, wherein each antenna receives a first arrival wave and other arrival waves of the first radio signal in a multipath environment, and The first arrival wave detection unit detects the first arrival wave based on the correlation data of the first radio signal output by the first correlation unit, and the timing control unit detects the detected A first sampling timing is determined based on the first incoming wave, and the first sampling unit is based on a predetermined sampling frequency during a preamble period of a packet generated from the first incoming wave. And establishing synchronization between the I and Q signals obtained by quadrature demodulation of the first radio signal and the determined first sampling timing, and the first correlator is configured to perform the first sampling. Correlation data of the first radio signal is obtained by calculating a code correlation between the I and Q signals sampled according to timing and a spreading code used by the radio, and the arrival direction estimation unit is A phase difference between the first radio signals received by the respective antennas is detected based on correlation data of the first radio signal output by one correlator, and based on the detected phase difference The arrival direction of the first radio signal is calculated.
本発明の一実施形態によれば、簡易な構成及び簡易な処理によって、無線信号の到来方向を高精度に推定することができる。 According to an embodiment of the present invention, the arrival direction of a radio signal can be estimated with high accuracy by a simple configuration and simple processing.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[実施形態1]
第1の実施形態の到来方向推定装置について図1〜図7を用いて説明する。
[Embodiment 1]
An arrival direction estimation apparatus according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
図1は、本発明の第1の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the arrival direction estimation apparatus according to the first embodiment of the present invention.
第1の実施形態の到来方向推定装置は、複数のアンテナ401、複数の直交周波数変換部(Down conversion)402、複数のサンプリング部(Smapling)403、複数の相関部(Correlation)404、第1到来波検出部(First path synchronization)405、ダウンサンプリング部(Down−samp)406、同期追跡部(Tracking)407、復調部(Demodulation)408、到来時刻推定部(TOA estimation)409、タイミング制御部(Timing control)410、到来方向推定部(Angle estimation)411、ローカル発振器(LO)412、タイミング生成部(TG)413及び制御部(Control)414を備える。
The arrival direction estimation apparatus according to the first embodiment includes a plurality of
アンテナ401は、図示しない端末又は送信機(ノード)によって送信されたUWB−IRのパルス信号を受信し、受信したパルス信号(s1、s2、・・・)を直交周波数変換部402に出力する。なお、直交周波数変換部402、サンプリング部403及び相関部404は、アンテナ401と同じ数が備えられる。
The
直交周波数変換部402は、アンテナ401から入力された受信パルス信号(s1、s2、・・・)をパルス信号(d1、d2、・・・)に変換し、変換されたパルス信号(d1、d2、・・・)をサンプリング部403に出力する。パルス信号(d1、d2、・・・)は、同相成分(I成分)及び直交成分(Q成分)の二つの成分によって表わされる。なお、直交周波数変換部402の処理の詳細については、図2及び図3を用いて後述する。
The
サンプリング部403は、タイミング生成部(TG)413によって生成されたタイミングに基づいて、直交周波数変換部402から入力されたパルス信号(d1、d2、・・・)をサンプリングすることによって、ベースバンド信号(x1、x2、・・・)を生成し、生成されたベースバンド信号(x1、x2、・・・)を相関部404に出力する。なお、サンプリング部403の処理の詳細については、図4から図6、図8及び図9を用いて後述する。
The
相関部404は、サンプリング部403から入力されたベースバンド信号(x1、x2、・・・)と、送信側で用いられた拡散符号との相関を計算することによって、相関データを生成し、生成された相関データを第1到来波検出部405に出力する。
The
第1到来波検出部405は、相関部404から入力された相関データに基づいて、第1到来波を検出する。さらに、第1到来波検出部405は、検出された第1到来波を基準として、パルス信号(d1、d2、・・・)とサンプリングタイミングとを同期させるためのタイミング制御信号を生成し、生成されたタイミング制御信号を同期追跡部407、到来時刻推定部409及びタイミング制御部410に出力する。また、拡散符号同期のための逆拡散タイミング制御信号を生成し、生成された逆拡散タイミング制御信号をダウンサンプリング部406に出力する。なお、相関部404及び第1到来波検出部405の処理の詳細については、図7を用いて後述する。
The first incoming
ダウンサンプリング部406は、第1到来波検出部405から入力された逆拡散タイミング制御信号に基づいて、拡散符号長の逆数倍のサンプリングレートを用いて、相関部404から入力された相関データをサンプリングし、サンプリングされた相関データを同期追跡部407、復調部408及び到来方向推定部411に出力する。
Based on the despreading timing control signal input from the first incoming
同期追跡部407は、第1到来波検出部405から入力されたタイミング制御信号、及びダウンサンプリング部406から入力されたサンプリング後の相関データに基づいて、サンプリング部403のサンプリングタイミングを制御するためのタイミング制御信号を生成し、生成されたタイミング制御信号をタイミング生成部413に出力する。
The
復調部408は、ダウンサンプリング部406から入力されたサンプリング後の相関データを符号情報に復調し、復調された符号情報を到来時刻推定部409、到来方向推定部411及び制御部414に出力する。
到来時刻推定部409は、パルス信号(s1、s2、・・・)の受信時刻を計算する。具体的には、復調部408から入力された符号情報、及び同期追跡部407から入力されたタイミング制御信号に基づいて、パケットのフレーム開始部(SFD:Start Frame Delimiter)を取得した時のクロック数を計数することによって、パケットの受信時刻を計算する。
The arrival
タイミング制御部410は、第1到来波検出部405から入力されたタイミング制御信号、及び同期追跡部407から入力されたタイミング制御信号に基づいて、タイミング生成部413を制御する。
The
到来方向推定部411は、各アンテナが受信したパルス信号(s1、s2、・・・)に対応する相関データのI、Q成分に基づいて、受信した各パルス信号の間の位相差を検出し、さらに、検出された位相差に基づいて、パルス信号の到来方向を計算する。
The arrival
ローカル発振器412は、直交周波数変換部402及びタイミング生成部413に基準クロックを供給する。タイミング生成部413は、サンプリングタイミングを生成し、生成されたサンプリングタイミングをサンプリング部403に出力する。制御部414は、復調された符号情報等を処理する上位のモジュールである。
The
図2は、本発明の第1の実施形態の到来方向推定装置の処理を示すフローチャートである。 FIG. 2 is a flowchart illustrating processing of the arrival direction estimation apparatus according to the first embodiment of this invention.
まず、S501において、直交周波数変換部402は、各アンテナ401から入力された受信パルス信号(s1、s2、・・・)を必要に応じて増幅し、増幅された受信パルス信号(s1、s2、・・・)と、ローカル発振器412によって入力された受信パルス信号の搬送波と同じ周波数を持つ信号とを乗算し、また、増幅された受信パルス信号(s1、s2、・・・)と前述した受信パルス信号の搬送波と同じ周波数を持つ信号とは位相が90度だけ異なった信号とを乗算する。
First, in S501, the
さらに、直交周波数変換部402は、ローパスフィルタを用いて、乗算された各信号の交流成分を除去し、パルス信号(d1、d2、・・・)を生成する。パルス信号(d1、d2、・・・)は、複素信号であり、I成分(d1I、d2I、・・・)とQ成分(d1Q、d2Q、・・・)との二つの成分によって表わされる。
Further, the orthogonal
図3Aは、本発明の第1の実施形態の直交周波数変換部402の処理によって出力されるパルス信号の波形を示す説明図である。
FIG. 3A is an explanatory diagram illustrating a waveform of a pulse signal output by the process of the orthogonal
s1、s2は、各アンテナ401から入力された受信パルス信号の波形である。d1、d2は、直交周波数変換部404の処理によって出力されたパルス信号の波形である。d1、d2は、それぞれI成分及びQ成分を含む。
s1 and s2 are waveforms of reception pulse signals input from the
なお、受信パルス信号(s1、s2)の搬送波の周波数とローカル発振器412の周波数との間に偏差がある場合、出力されたパルス信号(d1、d2)の波形の尖頭値は、前述した偏差によって変動する(うねりを生じる)。
When there is a deviation between the carrier frequency of the received pulse signal (s1, s2) and the frequency of the
図3Bは、本発明の第1の実施形態の直交周波数変換部402の処理によって出力されるパルス信号のコンスタレーションを示す説明図である。
FIG. 3B is an explanatory diagram illustrating a constellation of a pulse signal output by the process of the orthogonal
各パルス信号(d1、d2)のI成分及びQ成分の尖頭値をIQ平面上でプロットすると、図3Bに示すとおり、例えば、時刻t1のコンスタレーション、及び、時刻t2のコンスタレーションが作成される。各コンスタレーションにおいて、複素ベクトルd1とd2とは、回転位相差αを持つ。回転位相差αは、図19に示した受信パルス信号s1とs2との位相差αである。なお、前述した偏差によって尖頭値が変動するので、時刻t1から時刻t2に進むにしたがって、複素ベクトルd1、d2はIQ平面上で回転する。 When the peak values of the I component and Q component of each pulse signal (d1, d2) are plotted on the IQ plane, for example, a constellation at time t1 and a constellation at time t2 are created as shown in FIG. 3B. The In each constellation, the complex vectors d1 and d2 have a rotational phase difference α. The rotational phase difference α is the phase difference α between the reception pulse signals s1 and s2 shown in FIG. Since the peak value fluctuates due to the above-described deviation, the complex vectors d1 and d2 rotate on the IQ plane as time advances from time t1 to time t2.
また、前述した偏差がない場合、パルス信号(d1、d2、・・・)のそれぞれの尖頭値は一定の値となり、変動しないので、複素ベクトルd1、d2は、IQ平面上で回転しない。 Further, when there is no deviation as described above, the peak values of the pulse signals (d1, d2,...) Are constant values and do not fluctuate, so that the complex vectors d1, d2 do not rotate on the IQ plane.
なお、必要に応じて、直交周波数変換部402とサンプリング部403との間に、可変ゲインアンプ等が挿入されてもよい。この場合、後段のダイナミックレンジに適するように適切なゲインが選択される。
Note that a variable gain amplifier or the like may be inserted between the orthogonal
図2のS501の後、S504からS507において、サンプリング部403、相関部404、第1到来波検出部405、及び、タイミング制御部410は、パルス信号(d1、d2、・・・)とサンプリングタイミングとを同期させることによって、ベースバンド信号(x1、x2、・・・)を生成し、生成されたベースバンド信号(x1、x2、・・・)を相関部404に出力する。
After S501 in FIG. 2, in S504 to S507, the
まず、S504において、サンプリング部403は、直交周波数変換部402から入力されたパルス信号(d1、d2、・・・)のI成分及びQ成分にサンプリングをする。ここで、サンプリング部403は、受信パルス信号(s1、s2、・・・)の搬送波の周波数よりも低いサンプリング周波数(例えば、パルス繰返し周波数)を用いて、パルス信号(d1、d2、・・・)をサンプリングする。この場合、サンプリング部403は、復調された符号情報によって構成されるパケットのプリアンブル部に相当する期間中にサンプリングタイミングの同期を確立する。パケットの構成については、図6を用いて後述する。
First, in S504, the
図4は、本発明の第1の実施形態のデータ期間中のサンプリングの例を示す説明図である。 FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating an example of sampling during the data period according to the first embodiment of this invention.
サンプリングのタイミング(黒点)は、受信パルス信号(s1、s2)が到来するタイミング、すなわち、パルス信号(d1、d2)の尖頭値が現れるタイミングである。 The sampling timing (black dot) is the timing at which the received pulse signal (s1, s2) arrives, that is, the timing at which the peak value of the pulse signal (d1, d2) appears.
パケットのプリアンブル期間(T1(図6参照))において、パルス信号(d1、d2、・・・)とサンプリングタイミングとの同期が確立されると、データ期間(T2(図6参照))において、一度確立された同期は維持される。なお、図4に示したように、サンプリング周波数は、パルス信号の搬送波の周波数(例えば、4GHz)ではなく、パルス信号のパルス繰り返し周波数(例えば、32MHz)の数倍に設定されるので、サンプリング部は高速で動作する。このため、簡易かつ低消費電力のハードウェアの構成によって、到来方向推定装置を実現することができる。 When synchronization between the pulse signals (d1, d2,...) And the sampling timing is established in the packet preamble period (T1 (see FIG. 6)), once in the data period (T2 (see FIG. 6)). Established synchronization is maintained. As shown in FIG. 4, the sampling frequency is set not to the frequency of the carrier wave of the pulse signal (eg, 4 GHz) but to a multiple of the pulse repetition frequency (eg, 32 MHz) of the pulse signal. Works at high speed. Therefore, the arrival direction estimation device can be realized with a simple and low-power-consumption hardware configuration.
図5は、本発明の第1の実施形態のプリアンブル期間中のサンプリングの例を示す説明図である。 FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating an example of sampling during the preamble period according to the first embodiment of this invention.
パルス信号(d1、d2)の尖頭値が現れるタイミングとサンプリングタイミングとが一致していないので、同期が確立されていない。プリアンブル期間(T1)において、同期が確立されるまでは、サンプリング部403は、ベースバンド信号(x1、x2)を検出することができないので、雑音を出力する。
Since the timing at which the peak values of the pulse signals (d1, d2) appear does not coincide with the sampling timing, synchronization is not established. Until the synchronization is established in the preamble period (T1), the
次に、図2のS504において、相関部404は、サンプリング部403から入力されたベースバンド信号(x1、x2、・・・)について、逆拡散の処理を実行することによって、相関データを取得し、取得した相関データを第1到来波検出部405に出力する。
Next, in S504 of FIG. 2, the
S505において、第1到来波検出部405は、相関部404から入力された相関データの電力値を計算し、計算された電力値に基づいて、受信信号が検出されたか否かを判定する。S505において、受信信号が検出されていないと判定された場合、S504の処理に戻る。この場合、タイミング制御部410は、サンプリングタイミングを所定の量だけシフトする。タイミング生成部413は、シフトされたサンプリングタイミングをサンプリング部403に出力する。サンプリング部403は、新たなサンプリングタイミングに基づいてサンプリングをする。また、相関部404は、新たなサンプリングタイミングに基づいて出力された信号について、相関を計算する。
In S505, the first incoming
一方、S505において、受信信号が検出されたと判定された場合、第1到来波検出部405は、第1到来波を検出する(S506)。次に、S507において、第1到来波検出部405は、第1到来波を基準として取得したサンプリングタイミングをタイミング制御部410に出力する。タイミング制御部410は、入力されたサンプリングタイミングに基づいて、タイミング制御信号を生成し、タイミング生成部413を制御する。
On the other hand, when it is determined in S505 that the received signal has been detected, the first incoming
なお、相関部404及び第1到来波検出部405の構成及び処理の詳細については図7を用いて後述する。
Details of the configuration and processing of the
前述したS504からS507によって、プリアンブル期間中に、第1到来波を基準として、サンプリング部403のサンプリングタイミングとパルス信号(d1、d2)の尖頭値との同期が確立される。なお、同期が確立した後は、同期追跡部407及びタイミング制御部410によって、同期が維持される。
Through S504 to S507 described above, synchronization between the sampling timing of the
以下に、サンプリング部403がプリアンブル期間中に同期を確立し、ベースバンド信号を検出する処理ついて説明する。
Hereinafter, a process in which the
図6は、本発明の第1の実施形態の到来方向推定装置のサンプリング部403の処理によって出力される信号の波形を示す説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating a waveform of a signal output by the processing of the
x1、x2は、到来方向推定装置が一つのパケット600を受信した場合、サンプリング部403が出力するベースバンド信号の尖頭値の包絡線である。パケット600は、プリアンブル部601、SFD部602及びデータ部603を含む。データ部603には、情報が格納される。プリアンブル期間(例えば、T1)において、図2に示したS504からS507の同期の処理が実行され、パルス信号(d1、d2)とサンプリングタイミングとの同期が確立される。また、データ期間(例えば、T2)においては、同期が確立されているため、ベースバンド信号(x1、x2)が検出されている。
x1 and x2 are the envelopes of the peak values of the baseband signal output from the
図2のS501において、第1到来波が検出され、第1到来波を基準として、同期が確立された後は、次に、S502において、相関部404は、サンプリング部403から入力されたベースバンド信号(x1、x2)の相関データをダウンサンプリング部406に出力する。ダウンサンプリング部406は、相関データを到来方向推定部411に出力する。
After the first incoming wave is detected in S501 of FIG. 2 and synchronization is established with reference to the first incoming wave, the
S503において、到来方向推定部411は、ダウンサンプリング部406から入力された各アンテナ401に対応する相関データのI成分及びQ成分に基づいて、各アンテナ401で受信された各パルス信号の位相差を検出する。さらに、到来方向推定部411は、検出された位相差に基づいて、受信したパルス信号の到来方向を計算する。この場合、データ期間中に取得された相関データのすべて又は一部を利用することによって、雑音に対する信号の劣化を低減することができる。例えば、すべての相関データの平均値を求めることによって、到来方向推定の精度を向上させることができる。
In S503, the arrival
パルス信号の到来方向を求めるアルゴリズムには様々なアルゴリズムがある。ここでは、最も簡単な下記の関係式に基づくアルゴリズムによって到来方向を推定する。すなわち、到来方向θ、各アンテナ間の距離L、搬送波の波長λを用いると、位相差αは下記の式で表現される。 There are various algorithms for obtaining the arrival direction of the pulse signal. Here, the arrival direction is estimated by the simplest algorithm based on the following relational expression. That is, using the arrival direction θ, the distance L between the antennas, and the wavelength λ of the carrier wave, the phase difference α is expressed by the following equation.
α=2π×L×sinθ/λ
よって、到来方向θは、位相差αから推定することができる。また、このほかに、ビームフォーマ法、Capon法、線形予測法、最小ノルム法、MUSIC(MUltiple Signal Classification)法、ESPRIT法等の様々な方法がある。本実施形態では、これらのどの方法を適用してもよい。また、到来方向推定部411は、LSI、FPGA等の論理回路によって構成されてもよい。
α = 2π × L × sin θ / λ
Therefore, the arrival direction θ can be estimated from the phase difference α. In addition, there are various methods such as a beamformer method, a Capon method, a linear prediction method, a minimum norm method, a MUSIC (Multiple Signal Classification) method, and an ESPRIT method. In the present embodiment, any of these methods may be applied. Further, the arrival
また、到来時刻推定部409は、タイミング制御信号及び復調部408から入力されたデータを用いて、パケットの受信時刻を計算する。これによって、到来方向推定装置は、到来方向及び到来時間を推定することができる。到来方向及び到来時間は、パルス信号を送信した端末(ノード)の位置情報を取得するために利用される。
The arrival
図7は、本発明の第1の実施形態の相関部及び第1到来波検出部の構成の例を示す説明図である。 FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating an example of the configuration of the correlation unit and the first incoming wave detection unit according to the first embodiment of this invention.
相関部404は、送信側で用いられた拡散符号に対応したマッチトフィルタ(MF)1001を備える。第1到来波検出部405は、電力算出部(Pow)1003、同相加算部(In−phase addition)1004、合算部(Σ)1005、サーチ部(Search)1006を備える。
The
マッチトフィルタ1001は、サンプリング部403から入力された各信号について、送信側で用いられた拡散符号を用いて、符号の相関を計算することによって、相関データを生成し、生成された相関データを第1到来波検出部405の電力算出部1003、及びダウンサンプリング部406に出力する。
The matched
電力算出部1003は、マッチトフィルタ1001から入力された相関データのI成分及びQ成分のそれぞれの電力値を計算する。同相加算部1004は、各マッチトフィルタ1001から入力されたマッチトフィルタの各位相の電力値を積算する。この積算によって、雑音が大きい場合(信号対雑音電力比が低い場合)であっても、信号を検出することができる。
The
合算部1005は、各同相加算部1004によって積算された電力値を合算し、合算された電力値をサーチ部1006に出力する。サーチ部1006は、合算された電力値が所定の閾値を超えるか否かを判定する。所定の閾値を超えると判定された場合、第1到来波を検出する。
The
また、サーチ部1006は、第1到来波を検出したサンプリングタイミングを取得し、取得したサンプリングタイミングに基づいてタイミング制御信号を生成し、生成されたタイミング信号を同期追跡部407、タイミング制御部410等に出力する。さらに、サーチ部1006は、マッチトフィルタ出力の出力タイミング(逆拡散タイミング)を取得し、取得した逆拡散タイミングに基づいて、逆拡散タイミング制御信号を生成し、生成された逆拡散タイミング信号をダウンサンプリング部406に出力する。
Further, the
タイミング制御部410は、第1到来波をサーチした結果(第1到来波を検出したサンプリングタイミング)に基づいて、タイミング生成部413を制御する。サンプリング部403のサンプリングタイミングは、タイミング生成部413によって生成されたタイミングに基づく。
The
なお、サーチ部1006は、タイミング制御部410及びタイミング生成部413によって、サンプリングタイミングを少しずつシフトさせながら、相関データの電力値を監視する。これによって、サーチ部1006は、第1到来波を検出することができる。
Note that the
図8Aは、本発明の第1の実施形態のサンプリング部の構成の例を示す説明図である。 FIG. 8A is an explanatory diagram illustrating an example of the configuration of the sampling unit according to the first embodiment of this invention.
第1の実施形態のサンプリング部403は、例えば、アナログディジタル変換器(ADC)1101を備える。ADC1101は、広帯域なアナログ入力帯域を持ち、低速なクロックで動作する。ADC1101は、サンプルアンドホールド回路を含んでもよい。アナログ入力帯域は、例えば、500MHz〜4GHzである。また、アナログデータをディジタルデータに変換する場合の動作クロック周波数は、数MHz〜数十MHzである。
The
ADC1101は、タイミング生成部413から入力されたサンプリングタイミングに基づいて、直交周波数変換部402から入力されたパルス信号(x1、x2、・・・)をサンプリングする。
The
図8Bは、本発明の第1の実施形態のサンプリングの処理の例を示す説明図である。 FIG. 8B is an explanatory diagram illustrating an example of sampling processing according to the first embodiment of this invention.
サンプリング部403によって、直交周波数変換部402から入力されたパルス信号(x1、x2、・・・)の尖頭値がサンプリングされる。
The peak value of the pulse signal (x1, x2,...) Input from the
図9Aは、本発明の第1の実施形態のサンプリング部の構成の別の例を示す説明図である。 FIG. 9A is an explanatory diagram illustrating another example of the configuration of the sampling unit according to the first embodiment of this invention.
また、別の例では、第1の実施形態のサンプリング部403は、高速に動作するアナログディジタル変換器(ADC)1202、間引き部(Decimation)1203及びクロック1204を備える。ADC1202は、一旦高速なクロック1204によってアナログディジタル変換を実行する。間引き部1203は、タイミング生成部413から入力されたサンプリングタイミングに基づいて、ディジタルデータに変換されたデータから所望のデータのみを選択する。
In another example, the
図9B、図9Cは、本発明の第1の実施形態のサンプリングの処理の別の例を示す説明図である。 9B and 9C are explanatory diagrams illustrating another example of the sampling processing according to the first embodiment of this invention.
図9Aに示した間引き部1203は、ディジタルデータに変換されたデータから任意にデータを選択することができる。例えば、図9Bでは、ディジタルデータに変換されたデータからパルス波形の尖頭値のデータのみが選択されている。図9Cでは、パルス波形の尖頭値を中心として複数のデータが選択されている。選択された複数の点を同期の処理に利用することによって、復調性能、及び同期追跡の精度を向上させることができる。
The thinning
以上説明したように、第1の実施形態によると、簡易なハードウェア構成によって、マルチパス環境における第1到来波の到来方向を推定することができる。さらに、3.0ナノ秒以下のパルス幅を用いるウルトラワイドバンド信号を利用するので、第1到来波(直接波)とその他のマルチパス波(反射波)とを分離することが容易である。このため、マルチパスによる到来方向推定の精度が低下しにくいので、高い精度で到来方向を推定することができる。 As described above, according to the first embodiment, the arrival direction of the first incoming wave in the multipath environment can be estimated with a simple hardware configuration. Furthermore, since an ultra-wide band signal using a pulse width of 3.0 nanoseconds or less is used, it is easy to separate the first incoming wave (direct wave) from other multipath waves (reflected wave). For this reason, since the accuracy of direction-of-arrival estimation by multipath is unlikely to decrease, the direction of arrival can be estimated with high accuracy.
[実施形態2]
図10は、本発明の第2の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。
[Embodiment 2]
FIG. 10 is a block diagram showing the configuration of the arrival direction estimation apparatus according to the second embodiment of the present invention.
第2の実施形態の到来方向推定装置は、複数のアンテナ401のそれぞれに対応する2系統のサンプリング部403A、403B、相関部404A、404B、ダウンサンプリング部406A、406B、及びタイミング生成部413A、413Bを備える点で、図1に示した第1の実施形態の到来方向推定装置の構成と異なる。また、ピーク波・第1到来波検出部(Peak/First path synchronization)1301を備える点で異なる。その他の処理部は、図1に示した同名の処理部と同じである。
The arrival direction estimation apparatus of the second embodiment includes two systems of
ピーク波・第1到来波検出部1301は、プリアンブル期間において、第1到来波及びその他のマルチパス到来波(好適にはピーク波)を検出し、第1到来波を基準とするサンプリングタイミング、及び、ピーク波を基準とするサンプリングタイミングを取得する。
The peak wave / first arrival
そして、例えば、タイミング生成部413Aは、第1到来波を基準としたサンプリングタイミングを基準としたサンプリングタイミングをサンプリング部403Aに出力する。また、例えば、タイミング生成部413Bは、ピーク波を基準としたサンプリングタイミングをサンプリング部403Bに出力する。
For example, the
サンプリング部403A、403Bは、タイミング生成部413A、413Bから入力されたそれぞれのサンプリングタイミングに基づいて、ベースバンド信号を取得し、取得したベースバンド信号を相関部404A、404Bに出力する。相関部404A、404Bは、各々、サンプリング部403A、403Bから入力されたベースバンド信号の相関を計算することによって、相関データを生成し、生成された相関データをピーク波・第1到来波検出部1301、及びダウンサンプリング部406A、406Bに出力する。
また、例えば、ダウンサンプリング部406Aは、逆拡散タイミングによってサンプリングされた相関データを、同期追跡部407及び到来方向推定部411に出力する。なお、ダウンサンプリング部406Aは、相関データを復調部408に出力してもよい。また、例えば、ダウンサンプリング部406Bは、逆拡散タイミングによってサンプリングされた相関データを、復調部408に出力する。なお、ダウンサンプリング部406Bは、相関データを到来方向推定部411に出力してもよい。
For example, the
これによって、例えば、到来方向推定部411は、第1到来波を基準として取得されたサンプリングタイミングに同期する信号に基づいて、到来方向を高精度に推定する。一方、復調部408は、最も受信信号電力の高いピーク波(又は、第1到来波とピーク波との合成波)を基準として取得されたサンプリングタイミングに同期する信号を復調する。このため、復調性能を向上させることができる。
Accordingly, for example, the arrival
以上説明したように、第2の実施形態によると、第1の実施形態の効果に加えて、最も受信信号電力の高いピーク波を基準としたサンプリングタイミングに基づいてパルス信号を復調するので、復調性能を向上させることができる。さらに、ピーク波の到来方向を推定することも可能であるので、パルス信号を送信した端末の位置に関する情報をより多く得ることができる。 As described above, according to the second embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the pulse signal is demodulated based on the sampling timing based on the peak wave having the highest received signal power. Performance can be improved. Furthermore, since the arrival direction of the peak wave can be estimated, more information on the position of the terminal that transmitted the pulse signal can be obtained.
[実施形態3]
図11は、本発明の第3の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。
[Embodiment 3]
FIG. 11 is a block diagram showing the configuration of the arrival direction estimation apparatus according to the third embodiment of the present invention.
第3の実施形態の到来方向推定装置は、複数のアンテナ401に対して一つの直交周波数変換部(Down conversion)402、一つのサンプリング部403、一つの相関部(Correlation)404を備え、さらに、アンテナ制御部(Antenna control)1402及びセレクター(Selector)1401を備える点で、図1に示した第1の実施形態の到来方向推定装置の構成と異なる。
The arrival direction estimation apparatus of the third embodiment includes one orthogonal frequency conversion unit (Down conversion) 402, one
セレクター1401は、複数のアンテナ401から入力された一つの受信パルス信号を選択し、選択された受信パルス信号を直交周波数変換部402に出力する。アンテナ制御部1402は、制御信号をセレクター1401に出力することによって、セレクター1401を制御する。その他の処理部は、図1に示した同名の処理部と同じである。
The
図12は、本発明の第3の実施形態の到来方向推定装置の処理の例を示す説明図である。 FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating an example of processing of the arrival direction estimation device according to the third embodiment of this invention.
図12では、受信パケット600、選択されるアンテナ1200、及び取得したベースバンド信号のI成分、Q成分が示されている。
In FIG. 12, received
パケットを受信する場合、本実施形態のセレクター1401は、アンテナ制御部1402から入力された制御信号に基づいて、アンテナ401を切り替える。
When receiving a packet, the
まず、セレクター1401は、ある一つのアンテナ401(Ant1)を選択し、選択されたAnt1がパルス信号を受信するのを待ち受ける。サンプリング部403は、プリアンブル期間中において、第1の実施形態で説明したとおり、パルス信号とサンプリングタイミングとの同期を確立する。到来方向推定部415は、Ant1が受信したパルス信号のI成分、Q成分1211を取得する。
First, the
同期が確立された後、データ期間中において、セレクター1401は、別のアンテナ401(Ant2)に切り替える。到来方向推定部415は、Ant2が受信したパルス信号のI成分、Q成分1212を取得する。同様にして、到来方向推定部415は、Ant3が受信したパルス信号のI成分、Q成分1213を取得する。一つのパケットを受信した後、到来方向推定部415は、各アンテナ401が受信したパルス信号に対応する相関部404の出力(相関データ)を取得する。そして、到来方向推定部415は、各アンテナ401が受信した各パルス信号1211、1212、1213の位相差に基づいて、パルス信号の到来方向を推定する。
After the synchronization is established, the
以上説明したように、第3の実施形態によると、高周波帯域で動作する直交周波数変換部、サンプリング部及び相関部を複数備える必要がないので、高い精度で到来方向を推定することできる受信機を簡易かつ低消費電力のハードウェアの構成によって実現することできる。 As described above, according to the third embodiment, since it is not necessary to provide a plurality of orthogonal frequency conversion units, sampling units, and correlation units operating in a high frequency band, a receiver capable of estimating the arrival direction with high accuracy is provided. This can be realized by a simple and low power consumption hardware configuration.
[実施形態4]
図13は、本発明の第4の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。
[Embodiment 4]
FIG. 13: is a block diagram which shows the structure of the arrival direction estimation apparatus of the 4th Embodiment of this invention.
第4の実施形態の到来方向推定装置は、各アンテナ毎の受信機内部の受信パスの経路長又は回路のばらつきによって生じる誤差をキャリブレーションする。第4の実施形態の到来方向推定装置は、スイッチ1601、減衰器(Att)1602及び位相差検出器(Phase−diff Detector)1603を備える。
The arrival direction estimation apparatus of the fourth embodiment calibrates an error caused by a path length of a reception path inside the receiver or a circuit variation for each antenna. The arrival direction estimation apparatus of the fourth embodiment includes a
スイッチ1601は、各アンテナ401の後段に備えられ、減衰器1602から入力された信号を直交周波数変換部402に出力するか、又は、アンテナ401から入力された信号を直交周波数変換部402に出力するかを選択する。
The
減衰器1602は、直交周波数変換部402、及び直交周波数変換部402の後段の回路が飽和しないように、ローカル発信器から入力された信号を適切に減衰し、減衰された信号をスイッチ1601に出力する。
The
また、位相差検出部1603は、各アンテナ401が受信したパルス信号に対応する相関部404の出力(相関データ)に基づいて、各アンテナ401に対応する処理部の受信パスの位相差を検出する。なお、到来方向推定部411が、位相差検出部1603の処理を実行してもよい。
The phase
受信の処理を開始する前にスイッチ1601を減衰器1602の出力側に接続すると、位相差検出部1603は、各アンテナ401に対応する受信パスの位相差を検出し、検出した受信パスの位相差を記憶領域に格納する。その後、スイッチ1601を減衰器1602の出力側に接続する。
When the
以上説明したとおり、第4の実施形態によると、到来方向推定部411は、到来方向を推定する場合、受信パスの位相差を計算することによって、各受信パスの経路長及び回路のばらつきによって生じる誤差を補正することができる。これによって、より高精度な到来方向推定が可能となる。
As described above, according to the fourth embodiment, when estimating the arrival direction, the arrival
[実施形態5]
図14は、本発明の第5の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。
[Embodiment 5]
FIG. 14 is a block diagram showing the configuration of the arrival direction estimation apparatus according to the fifth embodiment of the present invention.
第5の実施形態の到来方向推定装置は、第1の実施形態に送信機能を加えた構成である。第5の実施形態の到来方向推定装置は、送信アンテナ1701、増幅部(Amplifier)1702、パルス整形部(Pulse shape)1703及びフレーム部(Frame)1704を備える。
The arrival direction estimation device of the fifth embodiment has a configuration in which a transmission function is added to the first embodiment. The arrival direction estimation apparatus according to the fifth embodiment includes a
フレーム部1704は、制御部414から送信された伝送データを処理し、ベースバンド信号をパルス整形部1703に出力する。パルス整形部1703は、フレーム部1704から入力されたベースバンド信号を送信周波数帯域のパルス信号に変換し、変換されたパルス信号を増幅部1702に出力する。増幅部1702は、パルス信号を増幅し、増幅されたパルス信号を送信アンテナ1701に出力する。送信アンテナ1701は、パルス信号を端末(ノード)に送信する。なお、アンテナ401は、別にスイッチを備えることによって、送信アンテナ1701の機能を備えてもよい。
The
第5の実施形態によると、到来時刻推定部409は、パルス信号を端末に送信する時刻と、端末から送信されたパルス信号を受信する時刻との差を計測することによって、送受信機と端末(ノード)と間のパルス信号の往復時間を計測することができる。よって、送受信機と端末(ノード)との間の距離を測定する測距機能が実現される。
According to the fifth embodiment, the arrival
以上、第1の実施形態から第5の実施形態について説明した。本発明の適用範囲は、それぞれの実施形態に限定されるものではない。例えば、複数の実施形態を組み合わせることもできる。 The first to fifth embodiments have been described above. The scope of application of the present invention is not limited to each embodiment. For example, a plurality of embodiments can be combined.
以下に、各実施形態の到来方向推定装置を測位システムに適用した例について説明する。 Below, the example which applied the arrival direction estimation apparatus of each embodiment to the positioning system is demonstrated.
[システム1]
図15は、本発明による到来方向推定装置を適用した測位システムの第1の例を示す説明図である。
[System 1]
FIG. 15 is an explanatory diagram showing a first example of a positioning system to which the arrival direction estimation device according to the present invention is applied.
本測位システムは、サーバ(Server)1801、基地局(Base station)1804及びノード(Node)1807を備える。基地局1804は、制御部1802及び送受信装置1803を備える。また、ノード1807は、送受信装置1805及び制御部1806を備える。例えば、送受信装置1803は、第5の実施形態の到来方向推定装置を適用することができる。
This positioning system includes a
基地局1804は、パルス信号を送信する。ノード1807は、基地局1804から送信されたパルス信号を受信し、受信したパルス信号を基地局1804に送信する。基地局1804は、ノード1807から送信されたパルス信号を受信し、パルス信号の往復時間及び到来方向を推定する。サーバ1801は、パルス信号の往復時間に基づいて、基地局1804とノード1807との間の距離rを計算する。また、サーバ1801は、距離r及び到来方向θに基づいて、基地局1804を基準としたノード1807の位置を計算する。
The
[システム2]
図16は、本発明による到来方向推定装置を利用した測位システムの第2の例を示す説明図である。
[System 2]
FIG. 16 is an explanatory diagram showing a second example of a positioning system using the arrival direction estimation device according to the present invention.
本測位システムは、サーバ(Server)1901、二つの基地局(Base station)1902、1903、及びノード(Node)1904を備える。基地局1902、1903は、本発明のいずれかの実施形態の到来方向推定装置を備え、ネットワーク等を介して、サーバ1901に接続する。ノード1904は、送信装置を備える。基地局1902と1903とは同じ構成である。
This positioning system includes a
ノード1904は、パルス信号を送信する。基地局1902、1903は、それぞれ、ノード1904から送信されたパルス信号を受信し、受信したパルス信号の到来方向を推定する。サーバ1901は、各基地局1902、1903によって推定された到来方向(AOA結果1、AOA結果2)に対応する直線が交わる点をノード1904の位置座標として推定する。
The
また、さらに、サーバ1901は、基地局1902、1903が取得したパルス信号の受信時刻を用いて、各パルス信号の受信時刻の差を計算し、計算された受信時刻の差に基づいて、距離差(TDOA結果)を計算する。サーバ1901は、計算されたTDOA結果を利用することによって、より高精度にノード1904の位置座標を計算することができる。
Further, the
[システム3]
図17は、本発明による到来方向推定装置を利用した測位システムの第3の例を示す説明図である。
[System 3]
FIG. 17 is an explanatory diagram showing a third example of a positioning system using the direction of arrival estimation apparatus according to the present invention.
本測位システムは、図16に示したシステム2において、さらに、基地局を追加したシステムである。すわなち、本測位システムは、サーバ(Server)2001、基地局1(Base station1)2002、基地局2(Base station2)2003、基地局3(Base station3)2004、及びノード(Node)2005を備える。基地局1(2002)、基地局2(2003)、基地局3(2004)は、本発明のいずれかの実施形態の到来方向推定装置を備える。また、ノード2005は、送信装置を含む。
This positioning system is a system in which a base station is further added to the
図16に示したシステム2の説明のとおり、サーバ2001は、基地局1(2002)、基地局2(2003)、基地局3(2004)によって取得された到来方向推定結果(AOA結果1、AOA結果2、AOA結果3)、及び各基地局の間の距離差(TDOA結果(1、2)、TDOA結果(1、3))に基づいて、ノード2005の位置座標を計算する。
As described in the
本測位システムでは、位置を特定するために必要な最低限の情報より多い情報を利用することができるので、より高精度に位置座標を計算することができる。 In this positioning system, since more information than the minimum information necessary for specifying the position can be used, the position coordinates can be calculated with higher accuracy.
例えば、基地局1(2002)とノード2005との間に障害物2101がある場合、基地局1(2002)は、ノード2005からの直接波ではなく、反射物2102によって反射された反射波を受信する可能性がある。この場合、基地局1(2002)は、反射物2102がある方向をパルス信号の到来方向とするので、到来方向推定結果(AOA結果1)と、距離差推定結果(TDOA結果(1、2)、TDOA結果(1、3))と、の間には大きな誤差が生じる。
For example, when there is an
そこで、本測位システムでは、障害物の影響を受けた推定結果(AOA結果1、TDOA結果(1、2)、TDOA結果(1、3))を位置座標の計算から除外する。これによって、位置座標の精度を向上させることができる。
Therefore, in this positioning system, estimation results (
具体的には、位置座標の計算からから誤差を含む推定結果を除外するため、誤差を含む推定結果に対応する基地局を抽出する。どの基地局が障害物の影響を受けたかを推定する方法には、様々なアルゴリズムが考えられる。例えば、すべての推定結果に基づいてノード2005の位置座標を計算し、計算された位置座標とそれぞれのAOA結果とを比較し、矛盾がある場合、障害物が存在したと仮定してもよい。
Specifically, in order to exclude an estimation result including an error from the calculation of position coordinates, a base station corresponding to the estimation result including an error is extracted. Various algorithms can be considered as a method of estimating which base station is affected by an obstacle. For example, the position coordinates of the
また、別の方法としては、まず、すべての基地局から取得された推定結果に基づいて第1の位置座標を計算し、さらに、一つの基地局をそれぞれ除外して、他の二つの基地局から取得された推定結果に基づいて第2、第3、第4の位置座標を計算する。次に、計算された第1の位置座標と第2、第3、第4の位置座標とを比較して、第1の位置座標に対して最も誤差(移動量)が大きくなる位置座標を特定し、このとき除外していた基地局を、障害物の影響を受けた基地局と仮定してもよい。 As another method, first, the first position coordinates are calculated based on the estimation results obtained from all the base stations, and one base station is excluded from each other, and the other two base stations are calculated. 2nd, 3rd, 4th position coordinates are calculated based on the estimation result acquired from (1). Next, the calculated first position coordinate is compared with the second, third, and fourth position coordinates, and the position coordinate having the largest error (movement amount) relative to the first position coordinate is specified. The base station excluded at this time may be assumed to be a base station affected by an obstacle.
また、別の方法としては、AOA結果から得られた3つの直線と、TDOA結果から得られた3つの双曲線とのすべての組み合わせの交点を選び、選ばれた交点の平均点から最も遠い交点を推定位置から除外してもよい。 Another method is to select the intersections of all combinations of the three straight lines obtained from the AOA results and the three hyperbolas obtained from the TDOA results, and select the intersection farthest from the average of the selected intersections. You may exclude from an estimated position.
以上、システム1〜3において説明したように、本発明の各実施形態の到来方向推定装置を利用すると、簡易かつ低消費電力のハードウェアの構成によって、パルス信号を送信する端末(ノード)の位置を測定する測位システムを実現することができる。
As described above, as described in the
401 アンテナ
402 直交周波数変換部(Down conversion)
403 サンプリング部(Smapling)
404 相関部(Correlation)
405 第1到来波検出部(First path synchronization)
406 ダウンサンプリング部(Down−samp)
407 同期追跡部(Tracking)
408 復調部(Demodulation)
409 到来時刻推定部(TOA estimation)
410、1302 タイミング制御部(Timing control)
411 到来方向推定部(AOA estimation)
412 ローカル発信器(LO)
413 タイミング生成部(TG)
414 制御部(Control)
1301 ピーク波・第1到来波検出部(Peak/First path synchronization)
1401 セレクター(Selector)
1402 アンテナ制御部(Antenna control)
1601 スイッチ
1602 減衰器(Att)
1603 位相差検出部(Phase−diff detector)
1701 送信アンテナ
1702 増幅器(Amplifier)
1703 パルス整形部(Phase shape)
1704 フレーム部(Frame)
1801、1901、2001 サーバ(Server)
1802、1806 制御部(Control)
1803、1805 送受信装置(Transceiver)
1804、1902、1903、2002、2003、2004 基地局(Base station)
1807、1904、2005 ノード(Node)
403 Sampling unit
404 Correlation
405 First incoming wave detection unit (First path synchronization)
406 Down-sampling unit (Down-samp)
407 Synchronization tracking unit (Tracking)
408 Demodulation unit (Demodulation)
409 Arrival time estimation unit (TOA estimation)
410, 1302 Timing control unit (Timing control)
411 Direction of Arrival Estimator (AOA estimation)
412 Local transmitter (LO)
413 Timing generator (TG)
414 Control unit (Control)
1301 Peak Wave / First Arrival Wave Detection Unit (Peak / First path synchronization)
1401 Selector
1402 Antenna control unit (Antenna control)
1601
1603 Phase difference detector (Phase-diff detector)
1701
1703 Phase shaping unit (Phase shape)
1704 Frame part (Frame)
1801, 1901, 2001 Server (Server)
1802, 1806 Control unit (Control)
1803, 1805 Transmitter / receiver (Transceiver)
1804, 1902, 1903, 2002, 2003, 2004 Base station
1807, 1904, 2005 Node (Node)
Claims (16)
前記到来方向推定装置は、複数のアンテナと、第1サンプリング部と、第1相関部と、到来方向推定部と、第1到来波検出部と、タイミング制御部と、を備え、
前記各アンテナは、マルチパス環境において第1の前記無線信号の第1到来波及びその他の到来波を受信し、
前記第1到来波検出部は、前記第1相関部によって出力された、前記第1の無線信号の相関データに基づいて、前記第1到来波を検出し、
前記タイミング制御部は、前記検出された第1到来波に基づいて、第1サンプリングタイミングを決定し、
前記第1サンプリング部は、前記第1到来波から生成されたパケットのプリアンブル期間中に、所定のサンプリング周波数に基づいて、前記第1の無線信号を直交復調することによって取得されるI、Q信号と、前記決定された第1サンプリングタイミングと、の同期を確立し、
前記第1相関部は、前記第1サンプリングタイミングによってサンプリングされたI、Q信号と前記無線機が使用する拡散符号との符号相関を計算することによって、前記第1の無線信号の相関データを取得し、
前記到来方向推定部は、
前記第1相関部によって出力された、前記第1の無線信号の相関データに基づいて、前記各アンテナが受信した第1の無線信号の間の位相差を検出し、
前記検出された位相差に基づいて、前記第1の無線信号の到来方向を計算することを特徴とする到来方向推定装置。 An arrival direction estimation device for estimating an arrival direction of a radio signal transmitted by a radio device,
The arrival direction estimation device includes a plurality of antennas, a first sampling unit, a first correlation unit, an arrival direction estimation unit, a first arrival wave detection unit, and a timing control unit,
Each antenna receives a first incoming wave and other incoming waves of the first radio signal in a multipath environment;
The first incoming wave detection unit detects the first incoming wave based on correlation data of the first radio signal output by the first correlation unit,
The timing control unit determines a first sampling timing based on the detected first incoming wave;
The first sampling unit acquires I and Q signals obtained by quadrature demodulation of the first radio signal based on a predetermined sampling frequency during a preamble period of a packet generated from the first incoming wave. And synchronization with the determined first sampling timing,
The first correlator obtains correlation data of the first radio signal by calculating a code correlation between the I and Q signals sampled at the first sampling timing and a spreading code used by the radio. And
The arrival direction estimation unit includes:
Detecting a phase difference between the first radio signals received by the respective antennas based on correlation data of the first radio signals output by the first correlator;
An arrival direction estimation apparatus, wherein an arrival direction of the first radio signal is calculated based on the detected phase difference.
前記到来時刻推定部は、前記送信部が第2の前記無線信号を送信した時刻と、前記第2の無線信号を受信した前記無線機によって送信された前記第1の無線信号を受信した時刻との間の時間を計測することを特徴とする請求項5に記載の到来方向推定装置。 The arrival direction estimation apparatus further includes a transmission unit that transmits a radio signal,
The arrival time estimation unit includes a time at which the transmission unit transmits the second radio signal, and a time at which the first radio signal transmitted by the radio that has received the second radio signal is received. The direction-of-arrival estimation apparatus according to claim 5, wherein the time is measured.
前記第1到来波検出部は、さらに、前記第1サンプリングタイミングによってサンプリングされたI、Q信号と前記拡散符号とを同期させるための逆拡散タイミングを検出し、
前記ダウンサンプリング部は、
前記検出された逆拡散タイミングに基づいて、前記第1相関部によって出力された前記第1の無線信号の相関データをサンプリングし、
前記復調部は、前記ダウンサンプリング部によってサンプリングされた相関データに基づいて、前記パケットの符号情報を作成することを特徴とする請求項1に記載の到来方向推定装置。 The arrival direction estimation apparatus further includes a downsampling unit and a demodulation unit,
The first incoming wave detection unit further detects a despreading timing for synchronizing the I and Q signals sampled at the first sampling timing with the spreading code,
The downsampling unit includes:
Based on the detected despreading timing, the correlation data of the first radio signal output by the first correlator is sampled,
The arrival direction estimation apparatus according to claim 1, wherein the demodulation unit creates code information of the packet based on the correlation data sampled by the downsampling unit.
前記第1到来波検出部は、前記第2相関部によって出力された、前記第1の無線信号の相関データに基づいて、前記その他の到来波を検出し、
前記タイミング制御部は、前記検出されたその他の到来波に基づいて、第2サンプリングタイミングを決定し、
前記第2サンプリング部は、前記その他の到来波から生成されたパケットのプリアンブル期間中に、所定のサンプリング周波数に基づいて、前記第1の無線信号を直交復調することによって取得されるI、Q信号と、前記決定された第2サンプリングタイミングと、の同期を確立し、
前記第2相関部は、
前記第2サンプリングタイミングによってサンプリングされたI、Q信号と前記拡散符号との符号相関を計算することによって、前記第1の無線信号の相関データを取得し、
前記取得した相関データを前記復調部に出力することを特徴とする請求項1に記載の到来方向推定装置。 The arrival direction estimation apparatus further includes a second sampling unit and a second correlation unit,
The first incoming wave detection unit detects the other incoming waves based on the correlation data of the first radio signal output by the second correlation unit,
The timing control unit determines a second sampling timing based on the detected other incoming waves,
The second sampling unit obtains I and Q signals obtained by orthogonally demodulating the first radio signal based on a predetermined sampling frequency during a preamble period of a packet generated from the other incoming waves. And synchronization with the determined second sampling timing,
The second correlator is
Obtaining correlation data of the first radio signal by calculating a code correlation between the I and Q signals sampled at the second sampling timing and the spreading code;
The arrival direction estimation apparatus according to claim 1, wherein the acquired correlation data is output to the demodulation unit.
前記アンテナ制御部は、
前記パケットを受信する場合、前記複数のアンテナのうち、前記第1の無線信号を受信する一のアンテナを選択し、
前記第1の無線信号を直交復調することによって取得されるI、Q信号と前記第1サンプリングタイミングとの同期が確立し、所定の時間が経過した後、他のアンテナを選択し、
前記到来方向推定部は、
前期第1相関部によって出力された前記第1の無線信号の相関データのI、Q信号を取得し、
前記取得した各相関データのI、Q信号に基づいて、前記選択されたアンテナが受信した各第1の無線信号の間の位相差を検出することを特徴とする請求項1に記載の到来方向推定装置。 Furthermore, an antenna control unit is provided,
The antenna controller is
When receiving the packet, select one antenna that receives the first radio signal from the plurality of antennas;
After synchronization between the I and Q signals acquired by orthogonal demodulation of the first radio signal and the first sampling timing is established and a predetermined time has elapsed, another antenna is selected,
The arrival direction estimation unit includes:
Obtaining I and Q signals of correlation data of the first radio signal output by the first correlator in the previous period;
The direction of arrival according to claim 1, wherein a phase difference between each first radio signal received by the selected antenna is detected based on the I and Q signals of each acquired correlation data. Estimating device.
前記スイッチは、前記複数のアンテナが受信した第1の無線信号、及び前記直交復調のために使用されるローカル信号のいずれかを出力し、
前記位相差検出部は、前記スイッチによって、前記直交復調に使用されるローカル信号が出力される場合、各アンテナに対応する受信機内部の経路差によって生じる位相差を検出し、
前期到来方向推定部は、前記スイッチによって、前記複数のアンテナが受信した第1の無線信号が出力される場合、前記位相差検出部によって検出された、各アンテナに対応する受信機内部の経路差によって生じる位相差を用いて、前記計算された第1の無線信号の到来方向を補正することを特徴とする請求項1に記載の到来方向推定装置。 Furthermore, a switch and a phase difference detection unit are provided,
The switch outputs either a first radio signal received by the plurality of antennas or a local signal used for the orthogonal demodulation,
The phase difference detection unit detects a phase difference caused by a path difference inside the receiver corresponding to each antenna when a local signal used for the quadrature demodulation is output by the switch.
When the first radio signal received by the plurality of antennas is output by the switch, the first-order arrival direction estimation unit detects a path difference inside the receiver corresponding to each antenna detected by the phase difference detection unit. The direction-of-arrival estimation apparatus according to claim 1, wherein the calculated arrival direction of the first radio signal is corrected using a phase difference generated by.
前記到来方向推定装置は、複数のアンテナと、第1サンプリング部と、第1相関部と、到来方向推定部と、第1到来波検出部と、タイミング制御部と、を備え、
前記到来方向推定方法は、
前記各アンテナが、マルチパス環境において第1の前記無線信号の第1到来波及びその他の到来波を受信し、
前記第1到来波検出部が、前記第1相関部によって出力された、前記第1の無線信号の相関データに基づいて、前記第1到来波を検出し、
前記タイミング制御部が、前記検出された第1到来波に基づいて、第1サンプリングタイミングを決定し、
前記第1サンプリング部が、前記第1到来波から生成されたパケットのプリアンブル期間中に、所定のサンプリング周波数に基づいて、前記第1の無線信号を直交復調することによって取得されるI、Q信号と、前記決定された第1サンプリングタイミングと、の同期を確立し、
前記第1相関部が、前記第1サンプリングタイミングによってサンプリングされたI、Q信号と前記無線機が使用する拡散符号との符号相関を計算することによって、前記第1の無線信号の相関データを取得し、
前記到来方向推定部が、
前記第1相関部によって出力された、前記第1の無線信号の相関データに基づいて、前記各アンテナが受信した第1の無線信号の間の位相差を検出し、
前記検出された位相差に基づいて、前記第1の無線信号の到来方向を計算することを特徴とする到来方向推定方法。 An arrival direction estimation method executed in an arrival direction estimation device that estimates an arrival direction of a radio signal transmitted by a radio,
The arrival direction estimation device includes a plurality of antennas, a first sampling unit, a first correlation unit, an arrival direction estimation unit, a first arrival wave detection unit, and a timing control unit,
The direction of arrival estimation method includes:
Each antenna receives a first incoming wave and other incoming waves of the first radio signal in a multipath environment;
The first incoming wave detection unit detects the first incoming wave based on correlation data of the first radio signal output by the first correlation unit;
The timing control unit determines a first sampling timing based on the detected first incoming wave;
I and Q signals acquired by the first sampling unit performing quadrature demodulation of the first radio signal based on a predetermined sampling frequency during a preamble period of a packet generated from the first incoming wave And synchronization with the determined first sampling timing,
The first correlator obtains correlation data of the first radio signal by calculating a code correlation between the I and Q signals sampled at the first sampling timing and a spreading code used by the radio. And
The direction of arrival estimation unit,
Detecting a phase difference between the first radio signals received by the respective antennas based on correlation data of the first radio signals output by the first correlator;
An arrival direction estimation method, wherein an arrival direction of the first radio signal is calculated based on the detected phase difference.
前記到来方向推定方法は、前記到来時刻推定部が、前記タイミング制御部によって決定された第1サンプリングタイミングに基づいて、前記第1到来波から生成されたパケットのフレーム開始部に対応する前記第1の無線信号を受信した時刻を計算することを特徴とする請求項12に記載の到来方向推定方法。 The arrival direction estimation device further includes an arrival time estimation unit,
In the arrival direction estimation method, the arrival time estimation unit corresponds to the frame start unit of the packet generated from the first arrival wave based on the first sampling timing determined by the timing control unit. The arrival direction estimation method according to claim 12, wherein the time when the radio signal is received is calculated.
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